Свойства ионитов. Работа ионитного фильтра

Рассмотрим катионит в его кислотной форме, описываемый общей формулой R^-H⁺, где R – сложный по составу анион катионита, обычно называемый матрицей, а Н⁺ – связанный с этой матрицей мобильный ион водорода, способный обмениваться на катионы, содержащиеся в жидкой фазе (растворе). Когда катионит входит в контакт с раствором, устанавливается равновесие ионного обмена:

R^-H⁺ + А⁺ R^-A⁺ + H⁺ (58)

ионит раствор ионит раствор

К этому равновесию приложим закон действующих масс и для него можно написать выражение константы равновесия

.

Здесь индексом «ф» помечены частицы, зафиксированные на катионите, а без индекса – частицы, находящиеся в растворе.

Смысл этой константы равновесия состоит в том, что она количественно характеризует сродство данного катионита к фиксируемому катиону: чем больше это сродство, тем больше равновесная поверхностная концентрация фиксированных ионитом катионов, тем, следовательно, больше численное значение константы равновесия.

В случае анионита имеем аналогичное равновесие

R⁺OH^- + B^- R⁺B^- + OH^-

ионит раствор ионит раствор

и соответствующее выражение константы равновесия

.

которая характеризует сродство анионита к анионам, содержащимся в растворе.

Следует учесть, что число фиксированных на ионите ионов или не может превышать определенного предельного значения, определяемого числом активных центров, имеющихся у ионита. Иными словами, ионит обладает присущей ему ионообменной емкостью. Ионообменная емкость – это количество ионов (моль), зафиксированных в результате ионообмена единицей массы ионита в состоянии насыщения. Этот параметр определяется экспериментально путем обработки известной массы катионита (анионита) в его -форме ( -форме) избытком раствора, содержащего обмениваемый ион, после чего методом титрования устанавливается количество высвободившейся кислоты(катионит) или щелочи (анионит).

Заметим, что емкость сильнокислотных катионитов не зависит от рН раствора. В случае же слабокислотных катионитов равновесие ионного обмена смещено в сторону образования формы R^-H⁺ в кислой среде и ионный обмен в этих условиях не происходит.

Разумеется, подобные явления характерны и для анионитов.

Одним из важнейших свойств ионитов является их селективность. Под селективностью ионитов понимают его различную способность фиксировать ионы в зависимости от их природы или, что то же самое, различное сродство ионов к иониту. Селективность ионитов зависит от многих факторов: от природы как ионов, так и ионитов, от заряда ионов, от кислотности раствора. В общем случае бóльшую способность к фиксации ионообменниками проявляют ионы, заряд и поляризуемость которых больше, а радиус гидратированного иона меньше.

На основании экспериментальных исследований были определены ряды селективности ионов, в которых каждый последующий член ряда обладает бóльшим сродством к ионообменнику, чем предыдущий.

Влияние заряда катиона на селективность катионита иллюстрируется следующим рядом:

K⁺ < Ca²⁺ <Al³⁺ <Th⁴⁺

Это означает, что реакции, подобные следующей

.

практически полностью смещены вправо и катионы Ca²⁺ , находящиеся в растворе, количественно вытесняют из катионита адсорбированные на нем ионы , становясь на место последних.

Для катионов, имеющих одинаковый заряд, ряды селективности имеют следующий вид (для случая сильнокислотного катионита):

Li⁺<H⁺<Na<NH₄⁺=K⁺<Rb⁺<Cs⁺<Tl⁺<Ag⁺

Ca²⁺<Be²⁺=Mn²⁺<Mg²⁺<Zn²⁺<Cu²⁺=Ni²⁺<Co²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<Pb²⁺<Ba²⁺

Аналогичные ряды построены и для анионов. В этом случае также действует правило, согласно которому многозарядные анионы сильнее присоединяются к иониту, чем малозарядные:

< < < .

Для сильноосновных анионитов (четырехзамещенные производные ионов аммония) ряд селективности для однозарядных анионов имеет следующий вид:

< < < < < < < < < < < < < < .

Ионитный фильтр

Фильтры ионитные параллельно-точные первой ступени для водород-катионирования предназначены для замены катионов Са-, Мg2+ и Nа+ исходной воды на катионы Р+ в схемах умягчения и химического обессоливания воды, используются на водоподготовительных установках промышленных и отопительных котельных.

В зависимости от требований к качеству обработанной воды и от состава исходной метод водород-катионирования осуществляется в схемах водород-катионирования с "голодной" регенерацией фильтров, водород-натрий-катионирования (параллельного и последовательного) и частичного или полного обессоливания.

Схема фильтра Схема подключения

Цикл работы фильтра состоит из следующих операций: умягчение, взрыхление, регенерация, отмывка. Рабочий цикл фильтра заканчивается при проскоке катионов натрия в фильтрат.

Умягчение воды происходит при поступлении ее в фильтр под давлением 0,6 МПа и прохождении через слой катионита в Н-форме в направлении сверху вниз. При этом катионит поглощает из воды ионы Са2+, Mg2+ и Na+ в соответствии с принятой схемой обработки, обменивая их на ион Н+ и разрушая бикарбонатный ион. Анионы солей постоянной жесткости в процессе водород-катионирования образуют эквивалентное количество минеральных кислот.

Взрыхление предназначено для устранения уплотнения катионита, препятствующего свободному доступу регенерационного раствора к его зернам.

Регенерация катионита для обогащения его ионами Н+ производится 1-2%-ным раствором H2SO4.

Отмывка ионообменного материала от регенерационного раствора и продуктов регенерации производится в направлении сверху вниз.

Фильтры ионитные параллельно-точные первой ступени для Н-катионирования представляют собой вертикальный однокамерный цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса, нижнего и верхнего распределительных устройств, трубопроводов, запорной арматуры, пробоотборного устройства и фильтрующей загрузки.

Корпус фильтра цилиндрический, сварной, из листовой стали с фланцевым разъемом.

Фланцевый разъем корпуса фильтра дает возможность осуществлять монтаж и ремонт всех устройств, находящихся внутри корпуса фильтра, наносить противокоррозионное покрытие.

Нижнее распределительное устройство трубчатого типа с щелевыми колпачками К-500. Штуцера на отводах направлены к днищу и за счет разной длины "копируют" форму днища.

Корпус и трубопроводы фронта фильтра изготовляются из углеродистой стали; внутренние поверхности, соприкасающиеся с агрессивной средой, подлежат защите коррозионно-стойким покрытием. Верхнее распределительное устройство выполняется из полиэтилена; нижнее распределительное устройство - из коррозионностойкой стали; щелевые колпачки - из полимерных материалов.

В комплект поставки фильтра входят корпус, верхнее и нижнее распределительные устройства, трубопроводы и арматура в пределах фронта фильтра, пробоотборное устройство, манометры с трехходовыми кранами и сифонными трубками, крепежные детали и прокладочные материалы, щелевые колпачки.